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C语言/C++字符编码方式解析

本节对操作系统里的字符编码进行简单介绍,这对于程序的跨平台开发、汉字乱码问题解决等都是很重要的知识,了解这些知识就不再害怕遇到程序乱码的问题了。

ANSI 多字节编码

在最早的时期,计算机只支持英文字符,那时都是用 ASCII(American Standard Code for Information Interchange,美国标准信息交换代码)编码,一个字母或符号只需要一个字节存储。随着计算机的推广应用,越来越多的国家和地区面临本地语言文字如何在计算机里使 用和显示的问题。对于中文 DOS 系统和早期的中文 Windows 系统,大陆制定了国标码 GB2312,台港澳地区则使用了大五码 Big5。微软针对这些本地化字符编码采用的就是用 ANSI(American National Standards Institute,美国国家标准学会)多字节编码方式,系统里的英文和符号就使用单字节的 ASCII(0x00~0x7f),而对于汉字之类的本地化字符编码,就采用 0x80~0xFF 范围内的多个字节来表示,这样既能兼容 ASCII ,又能正常使用本地化语言文字。

大陆的国标码发展了好几代,归结如下:
中文字符编码 说明
GB2312 1980 年发布,收录了 7445 个字符,包括 6763 个汉字和 682 个其它符号。汉字是双字节编码。
GBK 1995 年发布,收录了 21886 个符号,包括 21003 个汉字和 883 个其它符号。汉字是双字节编码。简体中文 Windows 目前默认采用这种本地化编码。
GB18030-2000 2000 年发布,收录了 27533 个汉字,汉字分为双字节编码部分和四字节编码部分。
GB18030-2005 2005 年发布,收录了 70244 个汉字,汉字也分为双字节编码部分和四字节编码部分。

新的国标码标准通常是兼容旧的编码方式的,所以一般对简体中文的文本选择 GBK 或 GB18030 编码都是可以正常显示的。微软针对各种本地化语言的页面有自己的编号方式,GBK 对应的代码页编号是 936,GB18030 对应的代码页编号是 54936,Big5 对应的代码页编号是 950。

关于汉字编码可以参考:http://www.fmddlmyy.cn/text24.html

关于代码页编号可以参考:http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BB%A3%E7%A0%81%E9%A1%B5

Unicode 系列编码

ANSI 多字节编码解决了各种语言文字的本地化使用问题,也有它自己的缺陷:各地制定的编码标准只对自己的语言文字有效,而不同语言文字的编码都是冲突的,因为大家都用 0x80~0xFF 范围字节表示自己的语言文字,而不考虑别的语言文字如何编码,冲突在所难免。比如简体中文(GBK)的文本放到繁体中文(Big5)的操作系统里,就被默认解析成繁体字编码,两种编码是冲突的,就会显示混乱的繁体字,反过来也一样。

因此国际组织制定了 Unicode 编码,也叫万国码、国际码等,这种字符编码是对全球语言统一分配编码区间,各种语言字符互相不冲突,都可以兼容使用。Unicode 编码从最初的 1.0,慢慢发展到今年发布的 8.0,包含的语言文字越来越多。

Unicode 编码系统,可分为编码方式和实现方式两个层次。对于国际组织发布的 Unicode 编码标准,对应的就是编码方式,最常用的是 UCS-2(Universal Character Set 2),采用两字节编码一个字符。当然国际语言文字太多,两字节不够用了,就有四字节编码方式 UCS-4。这个仅仅是标准,而不是实现,在编码实现的过程中,有些考虑兼容旧的单字节 ASCII 编码,有些不考虑兼容性;有些考虑双字节中哪个字节放在前面,哪个字节放在后面的问题,即 BOM(Byte Order Mark,字节顺序标记)的作用。因此诞生了多种国际码的实现方式,统称为 Unicode 转换格式(Unicode Transformation Format,UTF):
Unicode 转换格式 说明
UTF-8 灵活的变长编码,对于 ASCII 使用一个字节编码,其他本地化语言文字用多个字节编码,最长可以到 6 个字节编码一个字符。对于汉字,通常是 3 个字节表示一个汉字。这是 Unix/Linux 系统默认的字符编码。
UTF-16 兼容 UCS-2,一般都是两字节表示一个字符,对于超出两字节的国际码字符,使用一对两字节来表示。在存储时,按两个字节的排布顺 序,可以分为 UTF-16LE(Little Endian,小端字节序)和UTF-16BE(Big Endian,大端字节序),微软所说的 Unicode 默认就是 UTF-16LE。
UTF-32 同 UCS-4,因为用四个字节表示一个字符,所以不需要考虑扩展了。这种编码方式简单,但也特别浪费空间,所以应用很少。在存储时也分为 UTF-32BE 和 UTF-32LE,因为用得少,所以不用太关心这种编码格式。

关于 Unicode 编码格式参考:http://baike.baidu.com/view/40801.htm

关于 UTF 和 BOM 参考:http://www.unicode.org/faq/utf_bom.html

C++使用的字符串

在 C++ 中,以前通常使用 char 表示单字节的字符,使用 wchar_t 表示宽字符,对国际码提供一定程度的支持。 char * 字符串有专门的封装类 std::string 来处理,标准输入输出流是 std::cin 和 std::cout 。对于 wchar_t * 字符串,其封装类是 std::wstring,标准输入输出流是 wcin 和 wcout。

虽然规定了宽字符,但是没有明确一个宽字符是占用几个字节,Windows 系统里的宽字符是两个字节,就是 UTF-16;而 Unix/Linux 系统里为了更全面的国际码支持,其宽字符是四个字节,即 UTF-32 编码。这为程序的跨平台带来一定的混乱,除了 Windows 程序开发常用 wchar_t* 字符串表示 UTF-16 ,其他情况下 wchar_t* 都用得比较少。

MFC 一般用自家的 TCHAR 和 CString 类支持国际化,当没有定义 _UNICODE 宏时,TCHAR = char,当定义了 _UNICODE宏 时,TCHAR = wchar_t,CString 内部也是类似的。Qt 则用 QChar 和 QString 类(内部恒定为 UTF-16),一般的图形开发库都用自家的字符串类库。

在新标准 C++11 中,对国际码的支持做了明确的规定:
因为 Qt 有封装好的 QString,所以不太需要这些新增的字符串格式。关于 C++11 字符串更详细的内容参考:http://blog.poxiao.me/p/unicode-character-encoding-conversion-in-cpp11/

源文件字符编码测试

在 Windows 系统里最常用的文本字符编码格式是 ANSI (简体是 GBK,繁体是 Big5)和 Unicode (UTF-16LE)格式,Windows 命令行默认的输入输出格式是 ANSI 的。在 Linux 系统里统统都是 UTF-8 ,这个比较省心。

Windows 自带的记事本,以及 Notepad++ 工具、Linux 系统里的 kwrite、gedit 等都支持各种编码格式的文本显示。以 Windows 记事本为例,打开任意一个文本文件,选择菜单“文件 --> 另存为”,点开“另存为”对话框最下面的“编码”:
使用记事本另存为改变编码格式

图上四种格式分别是:
编码格式 说明
ANSI 本地化语言文字编码,简体操作系统是 GBK,繁体操作系统就是 Big5,Windows 命令行默认用的字符编码是和这个一样的。
Unicode Windows 所说的国际码一般都指这个 UTF-16LE,文件开头带有 BOM 标记(2字节)。
Unicode big endian 即 UTF-16BE,这个很少用到,文件开头也带 BOM 标记(2字节)。
UTF-8 这是 Unix/Linux 系统里通用的国际码存储交换格式,记事本保存的文件开头会有 UTF-8 签名(3字节,类似 BOM)。

下面我们测试三个不同编码格式的 cpp 文件,查看其编译运行效果。首先猛击这里下载本节要使用的三种编码格式的源文件,并解压到 D:\QtDemo 目录。

解压后可以看到 GBK.cpp、UTF-8.cpp、UTF-16.cpp 三个文件,如文件名所述,第一个是 ANSI+GBK 编码的源文件,第二个是 UTF-8 编码的源文件,第三个是 UTF-16LE(Windows默认的Unicode)编码的源文件。用记事本打开查看它们的内容是完全一样的:
#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    char theStr[] = "1234打印汉字";
    cout<<"str length: "<<strlen(theStr)<<endl;
    cout<<theStr;
   
    return 0;
}
注意看文件存储的字节数:
然后我们在Windows下的 Qt 命令行尝试用 g++ 编译这些代码,并运行生成的程序,挨个测试。

1) 测试 GBK.cpp:

D:\Qt\5.9\mingw53_32> cd /d D:\QtDemo
D:\QtDemo> g++ GBK.cpp -o GBK
D:\QtDemo> GBK.exe
str length: 12
1234打印汉字


2) 测试 UTF-8.cpp:

D:\Qt\5.9\mingw53_32> cd /d D:\QtDemo
D:\QtDemo> g++ UTF-8.cpp -o UTF-8
D:\QtDemo> UTF-8.exe
str length: 16
1234鎵撳嵃姹夊瓧


3) 测试 UTF-16.cpp:

D:\Qt\5.9\mingw53_32> cd /d D:\QtDemo
D:\QtDemo> g++ UTF-16.cpp -o UTF-16
D:\QtDemo> UTF-16.exe
********此处省略若干行********
UTF-16.cpp:21:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:11: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:13: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:15: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:17: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:19: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:21: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:25: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:21:27: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:22:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:23:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:23:3: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:24:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:25:1: warning: null character(s) ignored
UTF-16.cpp:1:5: error: 'i' does not name a type
? i n c l u d e   < i o s t r e a m >
     ^
UTF-16.cpp:9:2: error: 'i' does not name a type
          c o u t < < t h e S t r ;
  ^


第一个 GBK 编码的程序是正常的,那是因为作者使用的 Windows 命令行默认的代码页是 936 ,命令行里的输入输出都是 GBK 编码的,与源文件编码格式一致,所以显示正确。

第二个 UTF-8 正常编译,但是源文件里的 UTF-8 汉字编码与 Windows 命令行代码页编码格式不符合,所以显示的汉字乱码,而数字是没问题的。UTF-8 和 GBK 都是兼容 ASCII 单字节编码的。

第三个 UTF-16 编译根本不成功,因为 UTF-16 里面一个字符用双字节表示,导致源文件有大量的数值为 0 的字节(被编译器认为是 null),因此编译失败了。这也是 UTF-16 不兼容 ASCII 单字节编码的弊端。

如果在 Linux 系统里用 g++ 编译上面三个文件,结果是 GBK 编码程序可以编译,运行乱码;UTF-8 编码程序可以编译,运行正常;UTF-16 编码程序是无法通过编译的。Linux 系统里命令行默认的输入输出都是 UTF-8 编码,所以只有 UTF-8 的程序才会正常。GBK 的能正常编译是因为兼容 ASCII 单字节编码的缘故,无论是英文变量名还是符号,都与 UTF-8 的编码一致,只有非 ASCII 字符才会显示不正常。

那么 UTF-16 的源代码谁能正常编译呢?答案就是微软出的 Visual Studio,微软自家用的 Unicode 还得靠 MSVC 编译器来编译:

cl UTF-16.cpp /EHsc

请看下面的截图:
使用vs命令提示符工具编译UTF-16.cpp

可以看到 MSVC 编译器是能正常编译 UTF-16 的源文件,显示也很正常。感兴趣的读者可以用 MSVC 编译器(VS2010 SP1以上版本)把三个源文件都测试一遍,可以发现 MSVC 编译器生成的 exe 运行都是正常显示汉字的,这是为什么呢?

可以大致理解为:
① g++ 编译器不会对源文件里的字符串做转码。上面 g++ 生成的 GBK.exe 与 UTF-8.exe 二进制文件内容是有多处差异的。在 Windows 系统里源文件是 GBK ,其命令行编码也是 GBK,所以 GBK 编码的程序正常显示汉字;在 Linux 系统里源文件是 UTF-8,其命令行编码也是 UTF-8,所以 UTF-8 编码的程序正常显示汉字。

② MSVC 编译器会根据不同的源文件编码格式进行转码,文件中 char * 字符串一律转成本地化的 ANSI 多字节编码, wchar_t * 字符串一律转成 Unicode(UTF-16LE)。用 MSVC 生成的 GBK.exe、UTF-8.exe、UTF-16.exe 三个二进制文件,除了 PE 文件头有几字节区别,程序主体就是完全一样的,这三个 exe 内部的字符串全是 ANSI 多字节编码的,当然都能正常显示汉字。

从跨平台运行的角度,我们推荐 UTF-8 编码的源文件,这也是 Qt5 官方规定的源文件格式。

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